楊建國，晏鄂川，程溫鳴

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074;2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 400042;3.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部，湖北宜昌 443000)

1 研究背景

近幾年，為了有效減少滑坡的危害性，國內(nèi)已經(jīng)廣泛實施了滑坡專業(yè)監(jiān)測工程，尤以三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測預(yù)警工程最為典型［1－2］。通過滑坡監(jiān)測工程可以獲取眾多的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息(滑坡的變形、應(yīng)力應(yīng)變、降雨量和地下水位等)，但目前的難題是如何識別與應(yīng)用這些監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，有效地應(yīng)用于滑坡變形狀態(tài)(或穩(wěn)定性)的判別與預(yù)測預(yù)報研究［3－4］。馬水山［4］等通過對滑坡監(jiān)測資料的因子分析，探討了滑坡變形的主要影響因素;文獻(xiàn)［5－6］在滑坡監(jiān)測位移－時間曲線形態(tài)的基礎(chǔ)上，分析了滑坡的穩(wěn)定性。目前，對于滑坡監(jiān)測資料的分析與應(yīng)用，主要集中在滑坡位移－時間曲線的形態(tài)研究，并結(jié)合滑坡演化階段定性地分析滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)與發(fā)展趨勢。

本文以三峽庫區(qū)近40個滑坡的GPS地表位移信息為基礎(chǔ)，研究了地表位移曲線類型;識別監(jiān)測點的位移特性與滑坡整體滑動位移的關(guān)系，從而揭示滑坡的變形狀態(tài)或穩(wěn)定性變化趨勢;結(jié)合滑坡實例采用數(shù)值模擬方法對比研究了該滑坡的變形過程，結(jié)果與實際監(jiān)測吻合較好。

2 滑坡GPS地表位移監(jiān)測曲線類型

庫水變動對滑坡的作用具有持續(xù)性、周期性等特點，滑坡變形也表現(xiàn)為一定的規(guī)律性。然而在對三峽庫區(qū)大量滑坡的地表水平位移統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)(圖1至圖3)，只有少數(shù)變形量比較大的滑坡(圖1)，其位移－時間曲線才具有明顯的臺階上升狀，對于大多數(shù)滑坡的累積位移－時間曲線很難或不表現(xiàn)為較好的可識性(單調(diào)性)，其位移值甚至回到零點(圖3)。

圖1 奉節(jié)F1滑坡監(jiān)測累積位移-時間曲線Fig.1 Curves of cumulative displacement-time of F1 landslide at Fengjie

通過對三峽庫區(qū)近40個滑坡GPS地表位移監(jiān)測資料的分析，本文將庫水作用下滑坡監(jiān)測位移－時間曲線分為階梯上升型、波動上升型與波動型3種類型(分別對應(yīng)圖1至圖3)，其特征見表1。

3 滑坡地表水平位移變化規(guī)律分析

將典型的3類曲線(圖1至圖3)對應(yīng)監(jiān)測點的GPS數(shù)據(jù)按照x和y坐標(biāo)隨時間變化投影在平面上可顯示其運動軌跡。

圖2 巴東B1滑坡監(jiān)測累積位移-時間曲線Fig.2 Curves of cumulative displacement-time of B1 landslide at Badong

圖3 奉節(jié)F2滑坡監(jiān)測累積位移-時間曲線Fig.3 Curves of cumulative displacement-time of F2 landslide at Fengjie

表1 庫水作用下滑坡位移-時間曲線分類Table 1 Classification of cumulative displacement-time curves under the action of reservoir water

投影結(jié)果表明:階梯上升型曲線監(jiān)測點的運動軌跡(圖4)在不同工況下的位移矢量方向近乎一致，且與勘察主滑方向呈小角度相交，單次運動矢量長度也較大;波動上升型曲線監(jiān)測點整體的運動方向(圖5)有一定的趨勢性，整體趨勢與勘察主滑方向夾角較小，但在局部階段運動矢量方向雜亂，出現(xiàn)相交現(xiàn)象;波動型曲線監(jiān)測點的運動軌跡(圖6)在平面上很雜亂(類似微粒的布朗運動)，整體表現(xiàn)為圍繞監(jiān)測點初始位置震蕩，震蕩方向也與勘察主滑方向相差很大，不同工況下的位移矢量互相交叉。

圖4 F1滑坡GPS監(jiān)測點平面運動軌跡Fig.4 Plane trajectory of GPSmonitoring points of F1 landslide

圖5 B1滑坡GPS監(jiān)測點平面運動軌跡Fig.5 Plane trajectory of GPS monitoring points of B1 landslide

圖6 F2滑坡GPS監(jiān)測點平面運動軌跡Fig.6 Plane trajectory of GPS monitoring points of F2 landslide

上述曲線類型所對應(yīng)的滑坡監(jiān)測點運動軌跡特征，除與具體滑坡的地質(zhì)特征、外界影響因素等方面有關(guān)外，可以從滑坡演化階段上予以解釋。當(dāng)滑坡形成初期，內(nèi)部點變形處于彈性階段，變形量值較小，運動方向雜亂(類似于布朗運動)，表現(xiàn)為隨著時間變化繞平衡點做震蕩運動，滑坡整體運動方向的趨勢性很小;當(dāng)滑坡局部變形達(dá)到塑性狀態(tài)時，也即滑坡整體處于彈性-塑性狀態(tài)，內(nèi)部點變形量值有所增大，呈“Z”字型向主滑方向運動，滑坡整體運動方向具有一定的趨勢性;而當(dāng)滑坡變形各點均處于塑性狀態(tài)時，變形量值很大，各點運動軌跡以直線為主，滑坡的整體方向趨勢性很強。因此，滑坡監(jiān)測點運動軌跡的變化特征，在一定程度上也受控于該滑坡所處的變形階段，不同的滑坡監(jiān)測位移－時間曲線指示了滑坡的不同變形階段。

因此，對于滑坡監(jiān)測信息分析時，考慮到三峽庫區(qū)水位變化較大的特點，在研究位移－時間曲線波動上升型與波動型滑坡或者由于滑坡地表起伏特征導(dǎo)致監(jiān)測點運動方向與主滑方向相差較大時，應(yīng)基于不同水位工況下的位移矢量變化情況來進(jìn)行滑坡的變形預(yù)測與穩(wěn)定性分析，才能準(zhǔn)確地掌握監(jiān)測點在不同工況下的真實運動規(guī)律。

4 實例分析

4.1 滑坡概況

三峽庫區(qū)某滑坡位于長江左岸，巴東縣東瀼口鎮(zhèn)?；虑熬壐?10 m，后緣高255 m，縱長230 m，寬580 m，平均厚度15 m，總面積13.34×104m2，總體積200.1×104m3，平面形態(tài)呈橫長形，總體坡向170°，剖面形態(tài)為凹型，高程185 m上發(fā)育滑坡平臺，平均坡度10°～15°。滑坡后壁因后期改造已不明顯，東西兩側(cè)各發(fā)育有一條面流溝，橫斷面呈“V”字形，溝谷寬20～40 m，切深10～20 m，兩沖溝構(gòu)成了滑坡東西側(cè)邊界(見圖7照片)。滑體為第四系滑坡堆積碎塊石土(Qdel)，一般厚度10～30 m，土石比4∶6，結(jié)構(gòu)較為松散，滲透性較強;滑床為巴東組第二段(T2b2)紫紅色泥質(zhì)粉砂巖，斜坡結(jié)構(gòu)類型為順向坡;滑帶為粉質(zhì)黏土夾碎石、角礫，厚度40～160cm，見圖8。

圖7 滑坡全貌Fig.7 Panorama of the landslide

該滑坡為一復(fù)活型老滑坡，三峽水庫蓄水后，滑坡中前部涉水，在滑體重度增加，滑帶土力學(xué)參數(shù)降低，及孔隙壓力、滲透力作用等因素影響下產(chǎn)生復(fù)活。

4.2 滑坡監(jiān)測資料分析

該滑坡主監(jiān)測剖面各點水平位移自2007年3月份以來變動很大(圖9)，受庫水位變化影響變形速率存在一定差異，呈現(xiàn)震蕩趨勢，具有波動上升型的曲線特征?？傮w趨勢為高水位時變形較低水位明顯，且表現(xiàn)出庫水位上升階段累計位移呈小幅波動，庫水位下降階段變形速率突然增大變形加劇的特征?；碌叵滤槐O(jiān)測顯示，其變化在非雨季與庫水變化具有很高的一致性(見圖10)。

上述特點表明，庫水位變化作用對該滑坡的變形發(fā)展有很大影響。

圖8 滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.8 Engineering geological profile of the landslide

圖9 滑坡主剖面水平累積位移曲線Fig.9 Curves of cumulative horizontal displacement-time of the landslide(main section)

圖10 滑坡前緣地下水位監(jiān)測曲線Fig.10 Curves of observed groundwater level at the front edge of the landslide

4.3 滑坡監(jiān)測點運動規(guī)律模擬

根據(jù)滑坡物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征，將該滑坡的物理介質(zhì)概化滑體土與滑床基巖2種介質(zhì)。計算模型范圍，順河流方向長741.21 m，垂直河谷方向?qū)挒?69.42 m，模型最大高度310 m，底部高程0 m。運用ANSYS建立的滑坡三維數(shù)值計算模型如圖11所示。圖中，編號S1，S2，S3分別代表主剖面G1，G2，G3地表GPS監(jiān)測點。從計算精度與準(zhǔn)確性角度出發(fā)，滑床網(wǎng)格單元大小取為40 m，滑體網(wǎng)格單元取為10 m，共9 844個節(jié)點，50 553個單元。計算參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場測試、經(jīng)驗取值以及參數(shù)反演綜合獲得，見表2。鑒于監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性與三峽庫區(qū)水位正常調(diào)度情況，模擬截取2008年8月至2009年9月間的監(jiān)測資料作為數(shù)值模擬的計算工況。根據(jù)庫水位調(diào)度曲線“穩(wěn)定-驟升-緩降-穩(wěn)定”4個大的時間，為此可根據(jù)曲線突變點的個數(shù)將其概化為8種計算工況，具體見表3。

圖11 滑坡三維數(shù)值計算模型Fig.11 Three-dimensional numerical model of the landslide

4.4 模擬結(jié)果分析

通過FLAC3D數(shù)值計算，根據(jù)監(jiān)測點G3在8種工況下的x和y位移值與矢量角，將其運動軌跡繪制在坐標(biāo)平面，得到了監(jiān)測點在不同工況下的位移矢量圖(見圖12)，與實際監(jiān)測運動軌跡在對應(yīng)時間段內(nèi)吻合得較好。將模擬監(jiān)測點位移累積值以及在主滑方向的投影值與實際位移進(jìn)行對比(圖13)，表現(xiàn)出很好的一致性。

分析圖12的模擬結(jié)果也顯示:工況1至4，滑坡監(jiān)測點位移矢量大小在10mm左右，矢量方向與主滑方向反向大角度相交，即指向坡內(nèi)，表明庫水上升對滑坡的穩(wěn)定性影響較小，且由于監(jiān)測點位移指向坡內(nèi)有利于滑坡穩(wěn)定;工況5至8，監(jiān)測點位于矢量大小最大達(dá)到了30mm，矢量方向與主滑方向正向小角度相交，即指向坡外，表明庫水下降對滑坡的穩(wěn)定性影響很大，為滑坡的不利工況。分析結(jié)果月滑坡實際特征吻合。

圖12 滑坡前緣監(jiān)測點實際與數(shù)值模擬平面運動軌跡Fig.12 The actual and simulated plane motion trajectories of monitoring points at the front edge of the landslide

圖13 數(shù)值模擬位移曲線與實際位移曲線Fig.13 Displacement-time curves obtained from the simulation and the monitoring

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 2 Physical and mechanical parameters of rock and soil

5 結(jié)論

(1)通過對庫區(qū)40個滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，將庫水作用下滑坡監(jiān)測位移－時間曲線分為階梯上升型、波動上升型與波動型3類，得出在滑坡監(jiān)測位移累積量值較小時，其變形－時間曲線往往具有很強烈的波動性。

(2)將滑坡GPS監(jiān)測點按x和y坐標(biāo)隨時間的變化投影在平面上，可以獲得滑坡監(jiān)測點的實際運動軌跡。對于累積位移－時間波動型滑坡監(jiān)測點實際運動軌跡與勘察主滑方向存在較大差異。

(3)滑坡的最終位移場是其所經(jīng)歷的所有工況所產(chǎn)生位移場的矢量疊加而形成的，單獨考慮其累積位移量值或?qū)⑵渫队暗街骰较騺矸治龌路€(wěn)定性及變形預(yù)測，會產(chǎn)生較大誤差。

(4)通過對三峽庫區(qū)某滑坡監(jiān)測位移信息分析與數(shù)值模擬，表明該滑坡是典型的庫水作用滲透壓力型滑坡。表現(xiàn)出庫水上升時監(jiān)測點位移量值較小，且位移方向大致指向坡內(nèi);庫水下降時監(jiān)測點位量值較大，且位移方向與坡向一致，為該滑坡的不利工況。

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